Радиоактивность

Для проведения исследования использовались фотопластинки, которые были полностью засвечены под воздействием именно этих лучей. Эксперимент доказал, что солнечное излучение не является необходимым для того, чтобы исследуемый материал был засвечен. Однако это противоречило первоначальной гипотезе, поэтому пришлось проводить дополнительные исследования. На этот раз их целью было подтвердить или опровергнуть рентгеновское излучение как фактор, вызывающий изменение фотопластинок. Использовался тот факт, что рентгеновское излучение не несет никакого заряда и, следовательно, не искривляется магнитным полем. В вакуумную камеру, помещенную в магнитное поле, Беккерель поместил материал, содержащий уран, и фотопластинки. В результате эксперимента было обнаружено, что испускаемые испытуемым образцом лучи преломляются в магнитном поле, что исключало их идентичность с рентгеновским излучением. В ходе дальнейших исследований ученый дооказал, что существует три типа излучения, которые могут излучать материалы – нейтральное, положительно и отрицательно заряженное. На основе этих предположений другие исследователи выдвигали свои тезисы и проводили дальнейшие эксперименты. Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри открыли другие радиоактивные элементы: полоний и радий. Эрнест Резерфорд, лауреат Нобелевской премии по химии, также посвятил часть своей карьеры радиоактивности и назвал открытые Беккерелем виды излучения греческими буквами алфавита: альфа, бета и гамма.

Откуда берется радиоактивность?

Как показали исследования, радиоактивность является характеристикой некоторых элементов. Это указывает на его тесную связь с их атомным уровнем, а точнее – с атомным ядром. Каждый из трех видов излучения представляет собой квант энергии, который может излучать нестабильное ядро. Это означает, что излучение на самом деле является результатом их распада. Возникновение таких нестабильных ядер на практике обусловлено соотношением в них протонов и нейтронов. Из-за разных типов нестабильности существуют также разные типы излучения. Ключом к пониманию радиоактивности являются изотопы и их различия на атомном уровне. Например, наиболее распространенный изотоп углерода ¹²C не является радиоактивным, а ¹⁴C обладает радиоактивностью. Их атомный номер и, следовательно, количество протонов одинаковы. Разница также не может быть связана с количеством электронов, потому что тогда атом будет положительно или отрицательно заряженным ионом. Единственная возможность для изотопов – разнообразие в количестве нейтронов атомного ядра. ¹⁴C имеет на два нейтрона больше, чем ¹²C, поэтому он также тяжелее. Существование изотопов всех элементов означает, что число радиоактивных ядер также велико. Такие нестабильные и радиоактивные изотопы называются радиоизотопами, однако они распространены не так широко, как те, которые находятся в периодической системе химических элементов.

Почему ядро ​​может быть нестабильным?

Протоны и нейтроны в ядре подвергаются очень сильным ядерным силам, которые удерживают их вместе, преодолевая электростатическое отталкивание между протонами. В отличие от протонов, нейтроны положительно влияют на усиление ядерной силы. Доказано, что соотношение нейтронов к протонам должно составлять около 1,5:1. Для более легких атомов менее 20u стабильное соотношение составляет 1:1. В противном случае ядра имеют тенденцию к распаду. Все изотопы элементов с атомной массой более 208 нестабильны.

Рисунок 1 График области стабильности в зависимости от числа нуклонов в ядре. Источник: http://ch302.cm.utexas.edu/nuclear/radioactivity/selector.php?name=band-stability

На представленном выше графике показана зависимость стабильности ядра от числа отдельных нуклонов. Черная линия соответствует соотношению нейтронов и протонов 1:1. Стабильные изотопы отмечены черными квадратами, а нестабильные – соответствующими цветами в соответствии с обозначением. Стабильность радиоактивных изотопов тем выше, чем они ближе к стабильному соотношению. Согласно графику, существует три типа распадов:

1. Альфа-распад, особенно происходящий в массивных ядрах, с испусканием двух протонов и двух нейтронов,
2. Бета-минус-распад, когда в ядре слишком мало протонов, что приводит к испусканию электронов,
3. Бета-плюс-распад, если в ядре атома имеется избыток протонов, с испусканием позитронов.

Вышеперечисленные типы распадов связаны с изменением числа протонов в ядре, а следовательно, и с изменением химического элемента с одного на другой.

Альфа-излучение (α)

В 1909 г. Э. Резерфорд и Т. Ройдс экспериментальным путем доказали, что альфа-частицы идентичны ионам гелия. После прохождения альфа-излучения через тонкие стенки вакуумной камеры изображение спектральных линий на оптическом спектрометре, полученном в газовой камере, однозначно подтвердило этот факт. Например, ядро ²⁴⁰Pu, подвергается альфа-излучению согласно реакции:

Характеристики альфа-излучения: положительно заряженные частицы с радиусом действия в воздухе в несколько сантиметров и очень низкой проницаемостью. Преградой для них может служить простой лист бумаги.

Бета-излучение (β)

В случае бета-минус-излучения испускаются электроны, исходящие из ядра. Так как ядра не содержат электронов, то они образуются только при распаде, и кроме них испускается вторая частица – электронное антинейтрино. Из-за увеличения количества протонов в молекуле элемент, подвергающийся бета-распаду, превращается в другой элемент с более высоким атомным номером. Примерный ход распада, соответствующий этому механизму:

Это излучение характеризуется отрицательно заряженными частицами с радиусом действия в несколько десятков сантиметров в воздухе и большей проницаемостью по сравнению с альфа-излучением. Преградой для них может служить алюминиевый лист толщиной около 3-4 мм.

Точно так же происходит бета-плюс-распад, но он испускает частицы позитрона и электронное нейтрино. Количество протонов в ядре уменьшается, и элемент, который этому подвергается, превращается в другой элемент с меньшим атомным номером, согласно примеру:

Гамма-излучение (γ)

Единственный вид излучения, который не превращает один элемент в другой, потому что не испускает никаких частиц, а лишь гамма-излучение. Это один из видов электромагнитных волн, схожий с инфракрасным или ультрафиолетовым излучением, однако волна гамма-излучения является самой короткой. Процесс распада вызывает переход возбужденного ядра атома в состояние меньшего энергетического заряда, в результате чего происходит испускание фотонов с энергетическим эквивалентом ядра атома в отдельных состояниях. Схема хода гамма-распада может быть записана следующим образом:

Характеристикой гамма-излучения является отождествление с электромагнитной высокочастотной волной, по природе сходной со светом. Радиус действия в воздухе теоретически неограничен, а проницаемость – наибольшая из всех видов радиоактивности. Преградой может служить толстая стена или пятнадцатисантиметровый слой свинца.